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CO2大气激光通信机发射系统的设计
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CO2大气激光通信机发射系统的设计
摘 要 阐述了地对空激光发射机中激光器、光学透镜、调制器和发射天线等主要光学器件的设计方法，文中设计的发射机已开通户外试验，基本达到设计要求。
关键词 大气激光通信 声光调制器 卡塞格伦天线
中图分类号：TN929.12 文献标识码：A
0引言
近年来随着激光器件和光电探测器件的日益完善，大气激光通信的研究又形成了新的高潮。本文设计的发射系统由激光器、聚焦透镜、准直透镜和发射天线等组成，整机的通信距离：地对空大于15km，可传输图像和语音，全双工通信，误码率小于10-9。
1激光发射机关键器件的选择
1.1激光器的选择
10.6 m的CO2激光器因其效率高、光束质量好，功率范围大，既能连续输出又能脉冲输出，大气传输衰减小（大气窗口）等特点，成为本系统的首选光源。激光器采用共焦腔结构，腔长30cm，焦距150mm，输出功率9W。由于气体激光器发出的光束是典型的高斯光束，可计算出激光器的束腰半径 0和发散角 0分别为：
其中为激光波长，为焦距。=10.6 m ；=150mm
1.2聚焦透镜的分析
CO2激光器直接输出的激光束发散角和束腰半径分别为 0=9.5mrad， 0=0.7mm，这就须要采用聚焦透镜。本系统采用GaAs薄透镜，薄透镜对高斯光束变换矩阵为：
式中为薄透镜焦距，分别为物距和像距。根据ABCD定律中高斯光束成像变换条件式：
式中Z01为共焦参数，要求下式成立：
可推导出：
式中 01， 02分别为入射、出射高斯光束的束腰半径。代入已知条件可求得聚焦透镜的参数为：
1. 3发射天线设计
光学天线要求具有高增益、低遮挡率、高透射率、低散射光以及材料热膨胀系数小、机械强度高、重量轻和使用寿命长等。为满足地对空作用距离大15公里全双工激光通信的设计要求，我们选择反射式卡塞格伦天线，天线的主要参数见表1。
Table1. Major specifications of maksutov-cassegrain antenna
根據使用要求，设计系统光学天线时应重点考虑天线的尺寸及增益。由于发射源选用CO2激光器，光源电场强度满足高斯幅度分布，即：
式中 为束腰半径，R为曲率半径。利用菲涅尔辐射定律和天线增益定义，得到观测点（r， ）处的天线增益值为：
式中=/ ，=（k 2/2）[（1/r）+（1/R）]，=b/ ，X=k sin 。
通过上述公式及表1的数据可分析和计算出激光束经发射天线后的光束发散角为0.04mrad，束腰半径为168.8mm，投射到副反射镜上的光斑尺寸 （z）为463mm，当地对空作用Z=15km时，发射天线的增益和效率分别为：
式中D为发射天线主反射镜孔径，D=254mm。
2结论
目前国内对激光大气通信机的研究主要集中于较短地面站之间，卫星之间的激光链路正处于预研阶段，地面站与空中移动目标间的激光通信具有一定的新颖性。
参考文献
[1] 葛林，唐明光.光空间通信中几个问题的探讨[J].光通信技术，1998，22（02）： 86-91.
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发射
大气
激光
通信
设计
2022/0524/56644
摘 要 阐述了地对空激光发射机中激光器、光学透镜、调制器和发射天线等主要光学器件的设计方法，文中设计的发射机已开通户外试验，基本达到设计要求。
关键词 大气激光通信 声光调制器 卡塞格伦天线
中图分类号：TN929.12 文献标识码：A
0引言
近年来随着激光器件和光电探测器件的日益完善，大气激光通信的研究又形成了新的高潮。本文设计的发射系统由激光器、聚焦透镜、准直透镜和发射天线等组成，整机的通信距离：地对空大于15km，可传输图像和语音，全双工通信，误码率小于10-9。
1激光发射机关键器件的选择
1.1激光器的选择
10.6 m的CO2激光器因其效率高、光束质量好，功率范围大，既能连续输出又能脉冲输出，大气传输衰减小（大气窗口）等特点，成为本系统的首选光源。激光器采用共焦腔结构，腔长30cm，焦距150mm，输出功率9W。由于气体激光器发出的光束是典型的高斯光束，可计算出激光器的束腰半径 0和发散角 0分别为：
其中为激光波长，为焦距。=10.6 m ；=150mm
1.2聚焦透镜的分析
CO2激光器直接输出的激光束发散角和束腰半径分别为 0=9.5mrad， 0=0.7mm，这就须要采用聚焦透镜。本系统采用GaAs薄透镜，薄透镜对高斯光束变换矩阵为：
式中为薄透镜焦距，分别为物距和像距。根据ABCD定律中高斯光束成像变换条件式：
式中Z01为共焦参数，要求下式成立：
可推导出：
式中 01， 02分别为入射、出射高斯光束的束腰半径。代入已知条件可求得聚焦透镜的参数为：
1. 3发射天线设计
光学天线要求具有高增益、低遮挡率、高透射率、低散射光以及材料热膨胀系数小、机械强度高、重量轻和使用寿命长等。为满足地对空作用距离大15公里全双工激光通信的设计要求，我们选择反射式卡塞格伦天线，天线的主要参数见表1。
Table1. Major specifications of maksutov-cassegrain antenna
根據使用要求，设计系统光学天线时应重点考虑天线的尺寸及增益。由于发射源选用CO2激光器，光源电场强度满足高斯幅度分布，即：
式中 为束腰半径，R为曲率半径。利用菲涅尔辐射定律和天线增益定义，得到观测点（r， ）处的天线增益值为：
式中=/ ，=（k 2/2）[（1/r）+（1/R）]，=b/ ，X=k sin 。
通过上述公式及表1的数据可分析和计算出激光束经发射天线后的光束发散角为0.04mrad，束腰半径为168.8mm，投射到副反射镜上的光斑尺寸 （z）为463mm，当地对空作用Z=15km时，发射天线的增益和效率分别为：
式中D为发射天线主反射镜孔径，D=254mm。
2结论
目前国内对激光大气通信机的研究主要集中于较短地面站之间，卫星之间的激光链路正处于预研阶段，地面站与空中移动目标间的激光通信具有一定的新颖性。
参考文献
[1] 葛林，唐明光.光空间通信中几个问题的探讨[J].光通信技术，1998，22（02）： 86-91.
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